城市軌道交通車輛牽引能耗的影響因素

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

城市軌道交通車輛牽引能耗的影響因素

李波濤

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

節(jié)能減排是軌道交通可持續(xù)發(fā)展的重要目標(biāo)。該文基于城市軌道交通列車運(yùn)行能耗仿真系統(tǒng)，結(jié)合重慶軌道交通六號(hào)線二期工程實(shí)例，選取工程線路土建參數(shù)、車輛參數(shù)等進(jìn)行配置,模擬不同的運(yùn)行交路、坡度方案和再生制動(dòng)情況下,列車運(yùn)行過(guò)程中的牽引能耗的變化情況,從而為同類軌道交通工程設(shè)計(jì)提供參考,并以此作為能耗優(yōu)化方案的基礎(chǔ),對(duì)于降低牽引能耗和運(yùn)營(yíng)成本起到重要的作用。

軌道交通；運(yùn)行交路；節(jié)能坡；再生制動(dòng);能耗

軌道交通系統(tǒng)作為一種大運(yùn)量的公共交通系統(tǒng)，在城市的節(jié)能減排中發(fā)揮著不可替代的作用。但軌道交通本身又是耗能大戶之一，近年來(lái)軌道交通能耗在城市公共基礎(chǔ)設(shè)施總能耗中所占的比重越來(lái)越大，這其中車輛牽引能耗約占到軌道交通能耗的一半左右[1]。但目前國(guó)內(nèi)針對(duì)軌道交通能耗研究多是側(cè)重于牽引計(jì)算方法[2-4]、節(jié)能坡的理論研究[5]或節(jié)能管理措施研究[6]，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行牽引能耗影響的研究很少。軌道交通運(yùn)行交路方案、線路方案和車輛選型三個(gè)因素都直接影響到車輛牽引能耗，工程設(shè)計(jì)中如何考慮運(yùn)行交路、節(jié)能坡和再生制動(dòng)對(duì)減少運(yùn)營(yíng)期車輛牽引能耗成為軌道交通節(jié)能設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的研究課題。該文以重慶軌道交通六號(hào)線二期工程為例，從上述三個(gè)方面進(jìn)行仿真模擬計(jì)算與分析。

1 重慶軌道交通六號(hào)線二期工程概況

重慶軌道交通六號(hào)線全線全長(zhǎng)約60 km,二期工程是一期工程的南北兩側(cè)延伸線。二期工程線路全長(zhǎng)37.55 km，其中南段長(zhǎng)11.47 km，北段長(zhǎng)26.08 km。二期工程地下線長(zhǎng)31.13 km，高架線長(zhǎng)5.89 km，地面線及敞開(kāi)段長(zhǎng)0.53 km。共設(shè)12座車站(換乘站3座)，其中地下站10座，高架站2座，平均站間距3.14 km；車輛采用B型車；設(shè)車輛段和停車場(chǎng)各一處。設(shè)主變電所三座。車輛行駛速度目標(biāo)值100 km/h。

2 運(yùn)行交路、節(jié)能坡和再生制動(dòng)對(duì)牽引能耗的影響

2.1 運(yùn)行交路

一般情況軌道交通常用交路方案是貫通交路(圖1)，重慶軌道交通六號(hào)線二期工程采用的是搭接交路方案(圖2)。本次針對(duì)貫通交路和搭接交路采用城市軌道交通列車運(yùn)行能耗仿真系統(tǒng)進(jìn)行牽引模擬計(jì)算(圖3)，并對(duì)兩個(gè)交路方案的耗電量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 貫通交路方案交路圖

圖2 搭接交路方案交路圖

表1 不同交路方案仿真模擬能耗計(jì)算對(duì)比表

圖3 牽引計(jì)算系統(tǒng)仿真模擬計(jì)算圖

通過(guò)對(duì)不同運(yùn)營(yíng)交路牽引仿真模擬能耗結(jié)果，初、近、遠(yuǎn)期搭接交路方案牽引能耗比貫通交路方案能耗分別節(jié)約電能3 515×104kW·h、4 073×104kW·h和6 400×104kW·h，節(jié)能效果顯著。

重慶市軌道交通六號(hào)線斷面客流量呈中間大兩端小的特點(diǎn)，因而采取中間客流斷面大的區(qū)段開(kāi)行較多的列車對(duì)數(shù)，兩端客流斷面小的區(qū)段開(kāi)行較少的列車對(duì)數(shù)的方式，可以節(jié)省運(yùn)行列車，搭接交路方案恰好可以有效解決這一問(wèn)題，減少高峰小時(shí)運(yùn)行車數(shù)，同時(shí)也縮短了平峰時(shí)段的交路距離，降低了車輛牽引能耗。

2.2 節(jié)能坡

節(jié)能坡，即遵循“高站位、低區(qū)間”的設(shè)計(jì)原則。列車從車站起動(dòng)后，借助下坡的勢(shì)能增加列車加速度，縮短列車牽引時(shí)間，從而達(dá)到節(jié)能的目的。列車進(jìn)站停車時(shí)，可借助坡度阻力，降低列車速度，縮短制動(dòng)時(shí)間．減少制動(dòng)發(fā)熱，節(jié)約環(huán)控能量消耗。在節(jié)能坡條件下，列車開(kāi)始制動(dòng)的初速一般在40～50 km/h之間；而在非節(jié)能坡條件下，制動(dòng)初速一般在60～70 km/h之間。

模型選取重慶軌道交通六號(hào)線龍鳳溪站兩個(gè)設(shè)置方案，進(jìn)行了縱坡設(shè)計(jì)的模擬計(jì)算和分析。節(jié)能坡方案采取以300 m長(zhǎng)坡段、25‰的上坡度進(jìn)站，以25‰的下坡、500 m坡長(zhǎng)出站。圖4為龍鳳溪站坡度方案圖。

圖4 龍鳳溪站段坡度方案比選圖

表2 不同坡度方案牽引能耗對(duì)比

通過(guò)對(duì)不同線路縱斷面方案模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，采用節(jié)能坡的方案初、近、遠(yuǎn)期每年分別節(jié)約電能42×104kW·h、56×104kW·h和72×104kW·h。

2.3 再生制動(dòng)

由于城市軌道交通系統(tǒng)站間距短，列車起制動(dòng)頻繁，制動(dòng)減速度要求高，為此車輛一般都設(shè)有電制動(dòng)系統(tǒng)，而且采用電制動(dòng)也可有效的減少車輪、閘瓦磨耗及環(huán)境污染。軌道交通車輛采用的電制動(dòng)方式一般有再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)兩種方式。軌道交通六號(hào)線車輛設(shè)置電(再生)制動(dòng)、空氣制動(dòng)；牽引供電系統(tǒng)在車站牽引變電所設(shè)置逆變加電阻制動(dòng)吸收裝置。逆變吸收回饋裝置，將再生制動(dòng)電能逆變成交流380/220 V電能回饋至降壓變電所低壓母線供用電設(shè)備使用，多余電能通過(guò)降壓變壓器回饋至35 kV系統(tǒng)。當(dāng)逆變吸收裝置不能吸收的多余再生制動(dòng)電能部分利用電阻制動(dòng)吸收裝置將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。?dāng)列車行車間隔2 min時(shí)，再生幾率約30%～40%。軌道交通六號(hào)線將車輛再生制動(dòng)、空氣制動(dòng)、逆變加電阻制動(dòng)裝置結(jié)合起來(lái)應(yīng)用。這樣既充分利用了再生制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，將再生制動(dòng)電能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉?，減少了列車運(yùn)行再生制動(dòng)的發(fā)熱量，既節(jié)約電能，又減少對(duì)環(huán)境的污染；保證了電制動(dòng)的穩(wěn)定性。當(dāng)列車行駛速度降至小于10 km/h才使用空氣制動(dòng)。再生制動(dòng)能量巨大，當(dāng)再生制動(dòng)利用20%時(shí)，在運(yùn)營(yíng)初期，年可節(jié)約電能280×104kW·h/a，節(jié)能效果顯著。

3 結(jié)束語(yǔ)

城市軌道交通與其它交通工具相比，雖是一種節(jié)能環(huán)保型交通工具，但因其能耗總量巨大，尤其是車輛牽引耗能量很大，實(shí)施城市軌道交通系統(tǒng)的二次節(jié)能是十分必要的[8-9]。

該文結(jié)合重慶軌道交通六號(hào)線工程設(shè)計(jì)實(shí)例，通過(guò)仿真模擬計(jì)算，分析了不同的運(yùn)行交路、節(jié)能坡和再生制動(dòng)設(shè)計(jì)對(duì)車輛牽引能耗的影響，對(duì)今后同類工程的設(shè)計(jì)起到一定的借鑒作用。

[1] 方利國(guó).節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與評(píng)價(jià)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：189-192．

[2] 劉鵬,田瓊.城市軌道交通列車牽引能耗分析[J].山東科學(xué),2012,25(3):7-11.

[3] 馮佳,許奇,馮旭杰，等.基于灰色關(guān)聯(lián)度的軌道交通能耗影響因素分析[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2011,11(1)：142-146.

[4] 楊利軍,胡用生,孫麗霞.城市軌道節(jié)能線路仿真算法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，40(2)：235-240．

[5] 何永春.軌道交通中的節(jié)能坡及其工程應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2010(2)：37-40.

[6] 冉茂平,楊光旭,羅忠文.城市軌道交通節(jié)能措施研究[J].城市公共交通,2010(10):45-47.

[7] 張星辰,馮雪松,毛保華,等.我國(guó)高鐵列車牽引能耗影響因素作用效果的模擬分析[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息,2011,11(3):83-86.

[8] 石靜雅.關(guān)于上海城市軌道交通能耗指標(biāo)體系的建立與分析[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2009.

[9]張燕燕.城市軌道交通系統(tǒng)牽引及車站能耗研究[D].北京：北京交通大學(xué),2008.

AnalysisofInfluencingFactorsoftheTractionenergyConsumptionofRailTransitVehicles

LI Bo-tao

(Design Institute Group Co.,ltd.，Xi’an 710043，China)

Energy saving and emission reduction are important goals of sustainable development of rail transit. Based on the energy consumption simulation system of urban rail transit vehicles, combined with the case of Phase II project of Chongqing Rail Transit Line 6, this article chose civil engineering parameters and vehicle parameters of engineered routes to configure and simulated different situations of cross-road operation, slope scheme and regenerative braking in order to study the changes of traction energy consumption in the process of train running. Thus we can provide references for designs of similar rail transit projects, and as a basis of energy consumption optimization scheme, it plays an important role in reducing traction energy consumption and operating costs.

rail transit;cross-road operation;energy-saving slope;regenerative braking；energy consumption

2014-02-27修訂稿日期2014-04-30

李波濤(1981～)，男，碩士，工程師,研究方向?yàn)殍F路、城市軌道交通節(jié)能評(píng)估及環(huán)境影響評(píng)價(jià)。

U231

A

1002-6339 (2014) 04-0377-04